Пара исследователей из школы инженерии и прикладных наук имени Генри Самуэли при Калифорнийском университете создала первую в своём роде текстуру поверхности, которая может отразить любую жидкость вне зависимости от того, из какого материала поверхность изготовлена.

Свойства такой поверхности основаны исключительно на физических свойствах структуры, так что текстура может быть использована в промышленных или биомедицинских приложениях.

Например, такая поверхность может замедлить коррозию, не давая смачиваться поверхности металла, или продлить срок службы многих деталей различных агрегатов.

Вода или другая жидкость будет отталкиваться от текстурированного материала, образуя капли на его поверхности. Напомним, что природный, к примеру, гидрофобный («боящийся воды») материал является грубым на микроскопическом уровне.

Воздух между «волосками» не даёт воде впитаться в такую поверхность, в результате чего жидкость будет отскакивать от поверхности подобно бусине. Такое явление можно наблюдать в природе на листьях некоторых растений.

«В микроскопическом масштабе поверхность листьев ворсистая, так что поверхность, соприкасающаяся с водой очень мала, – поясняет главный исследователь проекта профессор механической и аэрокосмической инженерии Чан-Цзинь Ким (Chang-Jin Kim). – Это сокращение точек контакта приводит к тому, что вода держится на поверхности за счёт поверхностного натяжения. Искусственные сверхгидрофобные поверхности были разработаны, чтобы воспользоваться этим явлением путём формирования микромасштабных шероховатостей или узоров на поверхности гидрофобного материала».

Например, антипригарное покрытие в посуде является гидрофобным, однако оно не отталкивает масляные жидкости. Кулинарный жир распространяется по ней (а не превращается в бусины), потому что у такого покрытия более низкое поверхностное натяжение, чем у воды.

Так как гидрофобный материал не является олеофобным («боящимся масла»), шероховатости не сделают его поверхность олеофобной, не говоря уже о суперолеофобности.

Тем не менее, за последние годы учёные создали определённые микроскопические текстуры, способные сделать поверхности гидрофобных материалов не только олеофобными, но и даже суперолеофобными. Правда, одну поверхность, которая могла бы отразить любую из существующих жидкостей (даже те, что обладают самым низким поверхностным натяжением), так и не изобрели.

Жидкости с самым низким поверхностным натяжением – это фторированные растворители (некоторые из которых используются в промышленности, например, для охлаждения электронных устройств).

Ким в сотрудничестве с доктором Тини Лю (Tingyi Liu) смог создать полностью омнифобную поверхность (то есть отталкивающую абсолютно любой тип жидкости).

Для этого учёные придумали и воплотили в материале поверхность, покрытую тысячами микромасштабных шероховатостей, похожих на головки гвоздей. Каждая из них около 20 микрометров в диаметре, что намного меньше, чем ширина человеческого волоса. По внешнему виду такая текстура напоминает существующие суперолеофобные структуры.

Небольшие «гвозди», расположенные на расстоянии около 100 мкм друг от друга, напоминают в поперечном сечении букву Т. Даже полностью смачивающие поверхность жидкости, попадая на эту инженерную поверхность, отскакивают как бусины.

«Когда вы летите в космическом корабле, можно увидеть, как жидкость держится вместе в виде сфер – это происходит из-за того, что она полностью окружена воздухом. То же самое происходит и в нашем случае, – объясняет Лю. – В нашей текстурированной поверхности жидкость словно лежит на подушке, состоящей на 95% из воздуха, и её собственное поверхностное натяжение делает так, что она катится по поверхности, не распадаясь».

Эффект, которого удалось достичь американским учёным, никогда ранее не наблюдался ни на одной из техногенных или естественных поверхностей (хотя некоторые научные группы приближались к этому «пределу»).

Он обусловлен исключительно физическими характеристиками текстуры, а не какими бы то ни было химическими свойствами материала поверхности. Ким считает, что уместно будет называть такого рода поверхность «механической».

Поверхность смогла отразить все доступные жидкости, включая воду, масла и многие растворители, что дало ей право считаться суперомнифобной. Она отразила даже фторированный растворитель перфторгексан, жидкость с наименьшим из известных поверхностных натяжений.

Учёные нанесли свой текстурированный микромасштабный рисунок на стекло, металл и полимер, и в каждом случае поверхность отразила все жидкости в серии тестов.

По словам исследователей, такого рода покрытие может улучшить долговечность многих элементов зданий или транспортных средств, постоянно находящихся на открытом воздухе. К тому же отталкивающие свойства не деградируют от ультрафиолетового воздействия света или высоких температур (опять же благодаря не химической природе явления).

Также поверхность может найти применение при изготовлении биомедицинских устройств, так как её отталкивающие свойства не ухудшаются из-за загрязнения биологическими жидкостями.

Научная статья Кима, Лю и коллег была опубликована в издании Science.